分布式光伏发电微电网供能系统研究

摘要

以太阳能、风能等可再生能源为主的新能源大规模应用具有可持续性，逐步发展成为化石能源的主要替代能源。光伏发电技术是有效利用太阳能的主要方式之一，具有许多优点而得以广泛应用，出现了众多容量、规模和运行方式各异的光伏发电系统，按与公共电网的相互关系，分为独立型和并网型两大类。独立型系统与公共电网没有任何联系，主要安装在无电和公共电网覆盖薄弱地区，用于满足人们的基本电能需求，可靠性低；并网型光伏发电系统一般安装在城市或农村村落等容易获得公共电网支撑的地区，克服了光伏电池出力不稳等缺点，提高了系统供电可靠性。近年来，在环境保护和能源危机频发双重压力下，并网型光伏发电系统得到较快发展并成为当今光伏发电技术发展的主要方向，其典型应用之一有在中心城镇实施的光伏屋顶和分布式光伏发电微电网。
　　 分布式发电和微电网技术的提出和应用，适用于太阳能等可再生能源地域分散的特点，充分利用了分布式可再生能源发电紧靠本地负荷中心和无污染的优点。光伏发电微电网内多光伏电源之间、光伏电源与储能装置之间的协同供电，克服了光伏电源出力不稳的缺点。
　　 光伏电源具有直流电源特性，传统交流供电方式需要并网逆变器连接电源与电网，效率低，成本高。采用光伏电源直接直流供电模式能提高电能综合利用效率，降低系统成本；直流微电网可以通过直流变换电路简单高效地接纳分布式光伏电源，以及高效率地为本地直流负荷提供电能。
　　 本文以分布式光伏发电微电网供能系统的高效应用为出发点，结合光伏电源、储能装置和负荷的供、用电特性，研究了独立型光伏发电系统和分布式光伏发电并网系统的新型控制策略，分布式光伏发电直流型微电网拓扑结构与控制策略以及分布式光伏发电交直流型微电网控制策略，基于中心城镇办公楼宇供电特点，建设了一套分布式光伏发电微电网实验平台，可获得微电网运营时的实际数据，验证了分布式光伏发电直流微电网简单高效接纳分布式光伏电源，以及为直流负荷高效率提供电能。
　　 论文所做主要工作如下：
　　 (1)提出了一种对光伏电源实施最大功率追踪的新方法。在直流微电网中，光伏直流变换电路输出电压可保持稳定。本文据此提出了一种把直流变换电路占空比和光伏电池电流一起作为输入变量来实施最大功率追踪的方法。
　　 (2)提出独立型光伏发电系统统一能量控制策略。基于能量平衡原理，根据母线电压变化，实现光伏电池输出、蓄电池充放电和负荷供电的统一控制，实现了对光伏电源功率的平滑控制，省略了传统控制下的工作模式转换。
　　 (3)提出了一种分布式光伏发电直流型微电网拓扑结构及其控制策略。微电网内光伏电池阵列因地制宜分布式配置；设置电压较低的直流分支母线，既方便光伏电池阵列高效接入，又方便供电电压等级不高的直流负荷获取电能；设置高压直流主母线联接各供电单元和储能装置，便于较远距离交换电能时降低电路损耗。
　　 (4)提出了一种可应用于分布式光伏电源和光伏发电微电网并网发电的两级三相并网逆变器无直流链电压传感器控制策略。该控制策略在不降低逆变器整体性能的基础上，取消了直流链电压传感器及其相关电路。
　　 (5)在上述两级并网逆变器无直流链电压传感器控制策略的基础上，提出了一种可应用于分布式光伏电源的直流侧无电压传感器的两级并网逆变器控制策略。该控制策略在上述两级并网逆变器无直流链电压传感器控制策略保持直流链电压稳定的基础上，进一步取消了分布式光伏电源并网系统直流侧所有电压传感器及其相关电路。
　　 (6)在分布式光伏发电交直流型微电网中，根据交直流型微电网和分布式光伏电源特点，提出一种交流微电网离网模式下逆变器并联控制策略。
　　 (7)设计并开发了一套分布式光伏发电微电网实验平台。在对分布式光伏发电和微电网仿真研究的基础上，根据办公楼宇供电现状及特点，建立了一套含光伏电源、储能装置、本地交流和直流负荷的分布式光伏发电微电网实验平台，通过实验获取微电网运行数据，来研究和验证分布式光伏发电系统和微电网控制策略等。
　　 理论分析、仿真及实验数据表明：相对传统光伏发电系统，本文研究的分布式光伏发电系统能简化硬件配置，提高系统供电可靠性，降低系统建设和维护成本；提出的分布式光伏发电微电网拓扑结构和控制策略能简单高效接纳光伏电源，高效率地为本地负荷提供电能，确保系统稳定可靠运行。